管幕冻结法浅埋大断面隧道开挖方案对衬砌性态及地层位移的影响

张冬梅，张博恺，刘志刚

（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；3.港珠澳大桥珠海连接线管理中心，广东珠海 519030）

管幕冻结法浅埋大断面隧道开挖方案对衬砌性态及地层位移的影响

张冬梅1，2，张博恺2，刘志刚3

（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；3.港珠澳大桥珠海连接线管理中心，广东珠海 519030）

经验表明，在软土、浅埋大断面隧道开挖方案中，加固方式对衬砌结构受力、隧道收敛变形和地层位移影响显著。港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道具有隧道埋深浅、结构断面尺寸大、地质条件差、地理位置政治敏感性强等特点。以该隧道为背景，利用数值模拟方法，分析大直径钢管管幕冻结法施工和隧道开挖方案对衬砌结构受力和地层变形的影响。经分析发现：不同开挖方案对衬砌受力、变形和地层位移的影响显著；在分台阶开挖过程中，台阶越小，引起的衬砌受力、隧道收敛变形和地层位移越小；管幕冻结对改善衬砌受力和地层位移效果显著，根据管幕冻土受力特性对其关键受力部位提出建议。

有限元分析；浅埋大断面隧道开挖方案；管幕冻土圈支护；隧道性态；隧道地层位移；土体塑性区

0 引言

为改善交通环境，加速快捷交通发展，在城市环境敏感或者跨越河流区域，浅埋、大断面、短距离隧道日益增多。考虑到盾构施工方法在短距离、大断面隧道施工经济性上的不利因素，暗挖法成为一种可行的施工方法。在城市人流密集区等敏感区域进行施工时，周边环境敏感性强，对施工工法控制要求高［1］，通常为控制环境变形与保障施工安全，针对大断面隧道矿山暗挖法施工，采用有效的超前支护方法显得尤为重要［2］。管幕法作为地下工程施工的一种辅助工法，对于埋深浅、断面大、地质条件复杂的地下工程，具有对周边环境扰动小、适用于多种地层等其他施工方法无可比拟的优点［3-7］。对于暗挖法，不同的施工方法对周边的环境与结构自身受力影响差异较大［8-13］，由此可见，埋深浅、断面大、管幕群支护效果与暗挖法施工方法对环境的影响成为控制施工成败的关键。论文以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道为背景，由于隧道开挖断面大、埋深浅、环境敏感，为了控制隧道施工对环境的影响，拱北隧道施工采用在大直径钢管管幕冻土圈支护下的暗挖法施工。大直径钢管管幕冻土施工方法在隧道施工中的应用还不多见，其对隧道施工安全的影响程度也不明确。为此，本文以该隧道为背景，以保证浅埋、大断面隧道结构受力安全和减小环境影响为目标，针对隧道管幕冻结圈支护作用效果以及不同隧道开挖方法进行对比分析，以优化隧道施工，减小隧道施工对环境的影响。

1 工程背景

1.1 工程概况

拱北隧道是港珠澳大桥项目珠海连接线的关键控制工程，隧道穿越拱北口岸，拱北口岸段人流、车流巨大，减小隧道施工的环境影响和保证隧道的安全施工意义重大。经综合对比研究，拱北隧道口岸段隧道施工采用在管幕群支护作用下的双层暗挖法施工［14］，管幕间土体采用冻结法进行止水［15］。拱北隧道口岸段主体结构如图1所示，最大开挖跨度18.9 m，最大开挖高度20.6 m。管幕群由36根φ1 620 mm钢管构成，每根钢管壁厚24 mm，冻土圈设计厚度为200 mm，管幕冻土圈位置关系详见图2。

图1 隧道结构断面示意图（单位：m）Fig.1 Cross-section of Gongbei tunnel（m）

图2 隧道管幕冻结区域示意图Fig.2 Pipe-roofing and frozen soil of Gongbei tunnel

1.2 工程地质

拱北隧道区间主要地层及分布如下：填筑土①层，厚度一般为4～8 m，最大厚度（在拱北口岸区）约为11 m；淤泥及淤泥质土③1层，一般厚度为1.1～6 m；黏性土③2层，最大厚度约为6.0 m；粗、砾砂③3层，厚度不均，揭示最大厚度为7.0 m；淤泥质土④1层，仅局部存在；砾砂④2层，最大厚度约为11.5 m，最小厚度约为1.6 m，埋藏深度一般为17 m以下；粉质黏土④3层，最大厚度3.8 m；砂质黏性土⑤1层，最大厚度近7.0 m；全风化花岗岩⑥1层，厚度一般为3～8 m；强风化花岗岩⑥2层，最大厚度为15.9 m。隧道开挖部分基本处于③1和③3层的软弱及中软土之间［14］。拱北隧道口岸段地质纵断面如图3所示。

图3 拱北隧道口岸段地质纵断面示意图Fig.3 Geological profile of Gongbei Tunnel

1.3 拟开挖方案

由于隧道开挖沿线穿越流塑淤泥质土层，地下水位高，土体受扰动后易变形，且沿线地理位置特殊，环境控制要求高。针对工程施工难易程度、周围环境控制要求与结构自身安全条件，提出以下4种开挖方案：五台阶十五步开挖；四台阶八步开挖；五台阶十步开挖1；五台阶十步开挖2。为方便表述，后文中分别以方案1、方案2、方案3、方案4表示，4种方案施工顺序如表1和图4所示（隧道内部为临时支撑布设情况）。

表1 隧道施工拟开挖方案Table 1 Four potential excavation procedures

图4 4种方案施工顺序Fig.4 Schematic diagram of four potential excavation procedures

2 数值模拟

针对上述4种开挖施工方案，采用MidasGTS分析不同开挖方案对衬砌受力、变形和环境的影响。数值计算模型长200 m，宽43 m，隧道拱顶埋深为6.8 m，在模型左右两侧及底部设置固定约束，模型网格概况见图5。

图5 模型网格图（单位：m）Fig.5 FEM mesh（m）

在数值模拟中，为尽量精细地对施工过程进行模拟，分别对初期支护、二次衬砌、临时支撑、管幕采用梁单元进行模拟。在计算过程中，冻土区域、主体结构、管幕内部土体（混凝土填充）及周围土体采用平面应变单元进行模拟。

依据现场情况，将土体简化为3层进行建模，在数值计算中，土体本构模型采用修正摩尔-库仑模型，修正摩尔-库仑模型与常用的HS模型［16-17］十分相似，采用不同的加载、卸载模量可以更好地反映土体卸载变形特性，土体参数依据现场地勘报告取值，具体数值如表2所示。其余部分采用弹性本构模型进行模拟。

隧道开挖属于三维问题，在本文中，将其简化为二维问题进行数值模拟，为提高数值模拟的合理性，对各个开挖区域设置了相应的荷载释放系数，依据经验及模拟过程中的试算，最终选取荷载释放系数：土体开挖步设为0.05，添加初期支护步设为0.25，添加二次衬砌步设为0.3，初期支护、二次衬砌共同受力作用步设为0.4。各方案支护结构参数如表3所示。

表2 土体参数表Table 2 Soil parameters for numerical model

表3 各方案支护结构参数表Table 3 Parameters of tunnel lining and temporary support

3 施工方法的影响

不同开挖方案对隧道施工过程中的衬砌受力、隧道变形和地层影响不同。本文采用地表沉降槽表达隧道施工对地层的影响，并考虑隧道施工引起的周边地层塑性区的发展，以此预测隧道施工对周边环境的影响［18］。衬砌结构受力包括衬砌最大弯矩、衬砌最大轴力、临时支撑轴力，隧道变形以拱顶位移来表示，其中，衬砌最大弯矩、轴力由初期支护、二次衬砌共同承担。

3.1 地表沉降槽与拱顶位移

各方案地表沉降槽曲线如图6所示，方案1地表沉降槽最大沉降值为28 mm；方案2在开挖过程中地表沉降槽最大沉降值为35 mm，与方案1相比增幅25%；方案3地表最大沉降值为47 mm，与方案1相比增幅67.8%；方案4地表最大沉降值为41 mm，与方案1相比增幅46.4%。当开挖完成后，方案1拱顶位移为26.8 mm，方案2拱顶位移为19.2 mm，方案3拱顶位移为39.4 mm，方案4拱顶位移为20.5 mm。由于拱北隧道位置特殊性与周边环境的高敏感性，本文选取地表沉降值大于1 mm区域为沉降槽范围：方案1沉降槽宽度为154 m，方案2沉降槽宽度为164 m，方案3沉降槽宽度为154 m，方案4沉降槽宽度为161 m。由此表明，开挖顺序、开挖分块大小、支护条件均对地表位移、拱顶位移与地表沉降槽宽度有较大影响。

图6 各方案地表沉降槽曲线Fig.6 Effect of excavation procedures on ground surface

3.2 土体塑性区

不同开挖方案施工完成时所形成的隧道周围的塑性区为图7中黑色区域所示。在4种方案中，下半部隧道拱脚处塑性区范围较大，表明该处土体受隧道施工影响最为显著，冻土区域外土体受扰动较大，冻土区域也较易产生变形，而对于管幕冻结法而言，此处是冻土圈发生防水失效的关键部位，在隧道开挖中应给予高度重视，以防止隧道渗漏事故发生。从图7中也可以发现，塑性区的发展与开挖方案、开挖分块大小也密切相关，方案1在隧道上部左右两侧产生对称分布的塑性区，其余方案只在隧道上部右侧区域产生塑性区。

图7 4种方案土体塑性区Fig.7 Plastic zone around tunnel induced by excavation

3.3 结构受力

对4种方案结构受力进行分析，计算结果表明：方案1衬砌弯矩分布对称，方案2、3、4衬砌弯矩值在开挖过程中始终左侧大于右侧，对于4种方案，衬砌各个台阶跨中均产生较大的正弯矩，在开挖过程中，出现最大弯矩位置移向开挖侧台阶跨中。由于隧道埋深浅，上部土体无法形成足够的拱效应支撑，4种方案第1台阶衬砌轴力均较大，随着开挖进行，轴力最大值进一步增大，结构成环后数值有所减小。随着开挖深度增加，下部竖撑轴力均逐步增大，开挖完成后最下部台阶竖撑轴力达到最大值。中部横撑，即第2、3台阶交接处横撑轴力始终较大，并随着开挖过程增加。各方案内力最大值汇总如表4所示。对比计算结果表明，方案1与方案3支护结构受力较小。

表4 不同方案隧道衬砌与临时支撑最大内力汇总Table 4 Maximum internal force of tunnel lining and temporary support with different excavation procedures

4 冻土强度的影响

在拱北隧道设计中，冻土主要用于充当止水帷幕，但在隧道开挖中是否考虑冻土支护作用的影响，以及冻土对隧道受力和变形的影响程度，还不明确。本文针对冻土选取不同的弹性模量，以此来探究不同强度冻土在隧道开挖过程中对周边环境、结构内力的影响。本文以方案3为对象，通过改变冻土区域弹性模量方式来模拟不同强度冻土圈支护作用，冻土弹性模量分别取为200、250、300 MPa，后文中以工况1、工况2和工况3表示，通过对比在不同工况下地表沉降槽、拱顶位移、土体塑性区、结构内力的发展来对比研究冻土的影响。

4.1 地表沉降槽与拱顶位移

不同冻土刚度对地表沉降槽的影响如图8所示。在不同工况下，地表沉降槽均为最终沉降的过程，其中，工况1地表最大沉降值为47 mm；工况2地表最大沉降值为37 mm，相比工况1减少了21.3%；工况3地表最大沉降值为30 mm，与工况1相比减少了36.2%。当开挖完成后，工况1、2、3的拱顶位移分别为39.4、17.3、8.4 mm，由此可见，冻土刚度对减少地表沉降、拱顶位移有显著影响。

图8 不同冻土刚度下沉降槽曲线Fig.8 Effect of frozen soil Young's modulus on ground surface

4.2 土体塑性区

不同工况土体塑性区如图9中黑色区域所示，由图9可以看出，周围土体塑性区随着冻土区刚度增大而减少。由此表明，冻土刚度在减少施工过程对周围土体扰动、抑制渗漏通道的形成、保证止水效果上具有显著作用。

图9 3种工况土体塑性区Fig.9 Plastic zone

4.3 结构受力

在不同冻土刚度条件下，隧道衬砌受力发展规律一致，最大内力出现点位置一致，最大内力值随冻土圈强度提高而降低。最大衬砌弯矩均出现在开挖第2块土体时衬砌结构第1台阶跨中处，当开挖剩余部位时，出现最大衬砌弯矩位置移向开挖侧台阶跨中，数值减小；最大衬砌轴力均出现在第1台阶与第1道临时横撑交界处，随着隧道开挖，轴力逐步增大，当支护结构成环后，衬砌轴力小幅减小；随着开挖深度增加，下部竖撑轴力逐步增大，当开挖完成后，最下部台阶竖撑轴力达到最大值；在开挖过程中，中部横撑即第2、3台阶交接处横撑轴力在开挖过程中始终较大。在不同冻土刚度条件下内力最大值如表5所示。

表5 不同冻土刚度隧道衬砌与临时支撑最大内力汇总Table 5 Maximum internal force of tunnel lining and temporary supportig with different Young's modulus of frozen soil

5 结论与讨论

以浅埋、大断面开挖的拱北隧道为背景，通过数值模拟，分析了隧道不同开挖方案和冻土强度对隧道受力、变形和地层沉降的影响，得到如下结论：

1）不同开挖方案引起的地表沉降与拱顶位移有较大区别。4种开挖方案中，方案1与方案3所采用的支护结构刚度较大，结构内力较小；方案2与方案4采用的支护结构刚度较小，结构内力较大，但施工相对较容易。总体而言，开挖台阶越小，隧道变形和地层位移越小。具体施工方案应结合现场状况与设计、计算规律，综合比对，合理选择。

2）不论何种开挖方案，隧道开挖会引起隧道下部土体产生较大的塑性区，因此，此处也容易使冻土产生较大的变形，进而产生渗漏水风险，应对该处冻土给予重视，以保证隧道施工的防水安全。

3）冻土区域强度对隧道受力、变形和地层位移有较大影响，在施工条件允许的情况下，应考虑提高冻土强度，以保证施工安全。

4）本文数值模拟计算结果仅为初步对比4种方案计算结果，待隧道具体施工方案确定后，还应和现场监测数据进行对比研究，以便更准确地指导工程实践。

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Impact of Excavation Procedures of Shallow Large Cross-section Tunnel with Pipe-roofing and Frozen Soil on Tunnel Behavior and Ground Movement

ZHANG Dongmei1，2，ZHANG Bokai2，LIU Zhigang3

The tunnel excavation using mining method affects the tunnel behavior and ground movement significantly.Gongbei connection line of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge is a shallow large cross-section tunnel，with poor soil quality and high political sensitivity.In the paper，four potential excavation procedures are studied for the tunnel using FEM.The numerical results indicate that the excavation procedure has significant effect on the lining force，tunnel convergence and ground movement.The ground improvement using pipe roofing and frozen soil supporting is also investigated.The effect of ground improvement is then checked in terms of the tunnel lining force and tunnel convergence.It is found that the ground improvement can reduce the lining force and ground movement significantly.

FEM analysis；excavation procedure of shallow large cross-section tunnel；pipe-roofing and frozen soil；tunnel behavior；ground displacement；soil plastic zone

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.002

U 459.5

A

1672-741X（2015）11-1121-06

2015-08-06；

2015-09-09

交通运输部建设科技项目（2013318J11300-3）

张冬梅（1975—），女，山东菏泽人，2003年毕业于同济大学，结构工程专业，博士，教授，主要从事软土盾构隧道施工与环境相互影响、运营隧道的长期性态研究工作。

（1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.College of Civil Engineering，Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.The Management Center of Zhuhai Link Road of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge，Zhuhai 519030，Guangdong，China）